氢冶金与低碳经济

节能降耗、清溶生产与环保
氢冶金与低碳经济
原鞍钢副总工程师王太炎
关键词：氢冶金，碳冶金，焦炉煤气，直接还原，低碳经济
一．序言 中国在哥本哈根大会上庄严承诺：将在２０２０年之前使单位国内生产总值二 氧化碳排放量比２００５年减少４０％～５０％，实现这一目标并不意味着中国的二氧化 碳排放量到２０２０年会减少，事实上，未来ｌｏ年中国经济会有巨大增长，温室气 体排放总量会增加。 中国把排放数字与经济发展联系到一起，其意义在于将努力走低碳道路，发 展中国经济。为什么中国发展经济总是以二氧化碳排放量的增加为代价呢？主要 由于未来十年工业发展还将沿用传统的碳化发展方式，或由于我国多煤，少油，
的催化剂，称自重整）。在６００—７０（｝℃高温，有催化剂存在的条件下，将焦炉煤气
中的甲烷重整为氢和一氧化碳，加上焦炉煤气中氢组份，形成含氢７０％，含一氧
化碳３０％的还原性气体．成为直接还原大容量氢资源。 从（２）还原反应式可以看到氢冶金炼铁过程用氢作还原剂，该过程的最终 产物是水，而不是■氧化碳，或称氢冶金为二氧化碳零排放。 从（３）式叶Ｊ，不难看出反应塔中同时发生渗碳反应，因此，该工艺可以生 产高碳直接还原铁（含碳３％～６％）。 焦炉煤气在反应塔中进行重整反应和还原反应，煤气组成发生较大变化如
为（Ｊ ｏ（１２％以下）１ ｏｏ％的直接还原铁在电弧炉中炼钢，生产高纯钢，生产高质量 热轧材（ＨＲＣ）。
传统钢铁冶会长流程及物料，能量平衡 我国的钢铁冶金长流程是沿用传统的高炉，转炉流程。碳冶金为工艺流程的 主要特点。高炉炼铁耗用大量焦炭，在还原过程中全部转化为二氧化碳。因此。 二氧化碳高排放成为高炉，转炉流程的最大弊病。传统的工艺流程Ｌ｝Ｉ，必须配以 烧结，炼焦工序。在生产过程中产生大量的二恶英，３，４苯并比，成为钢铁生产
下表：
３１８一
纽份％
Ｈ。 Ｃ０ Ｃ魄 ：ｃＨ４＋ＣｍＨｎ
Ｎ”
鎏 子㈨
３ ｊ ９ ８ ００ １００
４９ ０
Ｈ：０
总计
从上表中发现，在反应塔的顶气中，氧含量为４９ ｆ）％，ＣＯ，含量１
了合理利用氢资源，在工艺流程中设汁氢资源循环利用系统。项气经过脱水后，
在选择性吸收ＣＯ，装置中划收ＣＯ。。脱ＣＯ，后的顶气与原料气一起进入反应塔循 环利用。这样，原料气Ｌ｝Ｉ的氢利用率为１００％。立¨果系统中的ＣＯ，全部回收，系 统中的ＣＯ。排放量为零。这正是低碳经济所期待的。 三，钢铁冶金传统流程与短流程 ３．１钢铁冶金短流程度物料，能量平衡
煤气生产直接还原铁，符合发展低碳经济的需要。
２．２用焦炉煤气生产直接还原铁工艺流程（见下图） ２．３工艺流程和工艺特点的描述 直接还原工艺是用焦炉煤气重整得到的氢为还原剂生产直接还原铁的工艺，
是氢冶金在炼铁工艺中的应用。在竖炉反应器中，以下三种化学反应同时进行，
以氢冶金过程为主。 （１）自重整反应：
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氢冶金与低碳经济
作者： 作者单位： 王太炎 原鞍钢副总工程师
本文链接：/Conference_7355571.aspx
工业发展低碳经济的最佳选择。开发氢冶金技术，首先遇到的是大容量氢制取的 问题。在传统的钢铁生产过程中产生大量的氢资源，即焦炉煤气。按当前钢铁的
生产规模估计，年产焦炉煤气５００－６００亿立方米，焦炉煤气中氢含量为５５％。６４％， 总氢资源为３６０亿立方米，是氢冶金最经济、可靠的氢资源。 直接还原炼铁是氢冶金在炼铁技术上的应用，国外气基竖炉直接还原铁生产
少气的能源结构所决定。特别是钢铁工业按现在的发展方式，以现在的发展速
度，二氧化碳的排放量呈３—５倍的增长，占排放总量三分之一以上，可见转变钢 铁生产方式，势在必行。
碳冶金是钢铁工业传统发展方式的典型代表模式，高炉冶炼基本反应式为： Ｆｅ，０，＋３ＣＯ＝＝２Ｆｅ＋３ＣＯ。。从反应式中不难看出，还原剂是碳，故称为碳冶金。最 终产物是二氧化碳，因此之前的观念认为排放是天经地义的。 氢冶金基本反应式Ｆｅ。Ｏ，＋３Ｈ。＝＝２Ｆｅ＋３Ｈ。Ｏ，可以看出，还原剂为氢气，最终产 物是水，当然二氧化碳是零排放。可见，将碳冶金改为氢冶金发展方式，是钢铁
技பைடு நூலகம்已有百年的历史，但我国由于天然气缺乏，气基竖炉生产直接还原铁技术， 末能取得突破。’
焦炉煤气生产直接还原铁半工业性实验，已经取得完全成功，同时证明用焦 一３１６一
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炉煤气生产直接还原铁比用天然气有突出优势。为了钢铁工业实现低能耗、低污
染、低排放的可持续发展，必须大力发展焦炉煤气生产直接还原铁技术。
４．２
利用焦炉煤气生产直接还原铁是氢冶金在钢铁生产中的合理应用，是
节省炼焦煤，减少碳污染，减少碳排放的最直接、最有效的生产方式，应积极推 行和发展。
我国是钢铁长流程的钢铁大国，在生产过程中产生大量焦炉煤气为直 接还原铁生产提供大容量氢资源，为直接还原铁生产创造重要条件。在我国钢铁
４．３
生产中，实行高炉铁生产和直接还原铁生产的融合，打造有中国特色的钢铁生产 方式，保持我国钢铁工业可持续发展。
ＢＦ—ＢＯＦ流程（生铁）
Ｋｇ ＣＯ＃ｔｈｒｃ １２６ １８２１
从上表中可以看出：ＤＲｚｒ—ＥＡＦ（直接还原铁一电炉炼钢短流程）与ＢＦ— ＢＯＦ（高炉铁一转炉炼钢长流程）比较，二氧化碳排放减少３２％。
四．结论
４．１
氢冶金是改变钢铁工业生产方式的核心技术，是改变当今钢铁生产高
能耗、高污染、高排放被动局面的可行、有效的技术措施，是钢铁工业发展低碳 经济的最佳选择。
组份
含量（％）
２０ ｍｇ／ｍ
５ｍｇ／ｍ３
２．Ｏ～３．６ １．５～１．８
饱和水
４０００～４２６０
萘 焦油
０．３９／ｍ３ ０．０４９／ｍ３
发热值Ｋｃａｌ／ｍ３
组份分析表明，焦炉煤气氢含量５５％～６４％，可见，焦炉煤气本身就是还原
性气体。其中甲烷含量为２０％～２５％，经裂解转化成氢和一氧化碳，重整后的焦 炉煤气中氢含量可达７０％，一氧化碳为３０％，是气基竖炉直接还原的理想还原性 气源。 吨装入炼焦煤产生焦炉煤气为４００ｍ３，１ ００万吨的焦化厂每小时产焦炉煤气 ５００００。６００００ｍ３，吨直接还原铁需焦炉煤气６１８ｍ。，１００万吨规模焦化厂年产焦炉 煤气可生产直接还原铁７０一８０万吨。我国焦炭的生产能力为２．６亿吨，将生产的 焦炉煤气全部或部分用于生产直接还原铁，可以节省２０％～３０％炼焦用煤，对保 护我国的炼焦煤资源有重要意义。 国外生产直接还原铁普遍采用天然气为气源，经高温热裂解，转化成还原性 气体进行直接还原炼铁。经研究比较，用焦炉煤气比用天然气有突出优势。其中， 原料气重整过程节能近７０％～８０％（甲烷含量比２５％：９５％）。因此，推荐用焦炉
ＣＨ４＋Ｈ２０＝＝ＣＯ＋３Ｈ２ ＣＨ４＋Ｃ０２＝＝２ＣＯ＋２Ｈ２
—３１ ７—
还原反应：
Ｆｅ２０３＋３ＣＯ＝＝２Ｆｅ＋３ＣＯ：
Ｆｅ—Ｏ＋３Ｈ。＝＝２Ｆｅ＋３Ｈ，Ｏ（氧冶金
渗碳反应：
３Ｆｅ＋ＣＨ产＝Ｆｅ３Ｃ＋２Ｈ！
妒・性
直接还原反应机理的剖析 从（１）自重整反应式中。阐明用反应塔ｑＪ的金属铁为触媒（不需反应塔外
一３２０一
ｔ一１
睁，１恐嚆茬
。鹫兰芋＼ｆ圈唑兰ｊ｜
Ｉ：鳓：㈡ ［≥输出电力
３６４ｈｈ ｔ生铁
节能降耗、清溶生产与环保
电资源系数 ＤＲ球一ＥＡＦ流程（用焦炉煤气生产直接还原铁） 单位 铁精矿 燃烧释放Ｃ０２ ＋回收ＣＯｚ 发电设备 ＣＯｚ减少排放 选择回收Ｃ０２ ＣＯｚ减少排放
７８７ １５％ ３２％ ——２９５ ０９６ ０９６ Ｋｇ ＣＯＪｔｈｒｃ １２０ ３０６ ０．８５ｋｇ ＣＯＪｋｗｈ
ｌ ３８ＩｔＨＲＣ ｌ ６５ｆ啦ＲＣ
输入电力［：＞ （包括纯氧１
９２０ｋｌｖｂ．谢ＲＣ
选择吸收ｃｏ：
［＝＞０ １ ７ｔｔＨＲＣ
２本工艺最大特点之一是利用焦炉煤气生产直接还原铁，这样不仪可以 合理利用焦炉煤气．而且为氢冶金准备大容量氢资源，同时为钢铁冶金超低二氧
３ １ ３１９
化碳排放找到新途径。女ＩＩ果将直接还原过程产生的二氧化碳全部选择性吸收，■ 氧化碳排放为零排放，■氧化碳排放只发生在选矿，球团燃料燃烧的过程． ３ １．｛气基竖炉直接还原铁工厂所生产的直接还原铁为高纯铁（硫，磷含量
３ ｌ
一
７ ０ ｏ
１０ ４
４％。为
ｌ我国现有独立焦化厂（原城市煤气焦化厂）生产焦炭占全国焦炭总
产量的６２％，产生大量的焦炉煤气可用于生产直接还原铁，作为电炉炼钢的精料． 生产热轧材。形成我斟特有的钢铁冶金短流程，如下示意图：
ＣＯＧ匕＝＝＞ ｌ ３０；ＧＪ啦ＲＣ
燃料燃烧ｃｏ二
匕＝＞０ ２２ｔ倒Ｒｃ
铣精矿ｃ＝＞
二．用焦炉煤气，气基竖炉生产直接还原铁（ＤＲ Ｉ） ２．１在高炉炼铁流程中，必须配备相应规模的炼焦厂，生产焦炭供给高炉炼 铁。在炼焦煤干馏过程中产生大量的焦炉煤气，其化学组份如下表所示
组份
Ｈ２ ＣＯ Ｃ０２ Ｃｌｔ４ Ｎ２
含量（％）
５５～６４ ８～ｌＯ ３￣４ ２０—２５ Ｏ，１￣６ Ｈ２Ｓ ＢＴＸ ＣｍＨｎ ０２ Ｈ２０
中的最大污染源。工艺流程示意图如下：
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０１６２ｔ啪ＲＣ匕ｏ
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本工艺过程Ｌ｝Ｔ产生大量的焦炉煤气．高炉煤气，转炉煤气全部用于发电，这 样的能源转换效率是比较低的，而在上述三种燃气中有大量的氢气，一氧化碳是 高效的还原剂，应成为还原过程的原料，代替焦炭，发展非焦炼铁技术。不应该 将高效的还原剂作为燃料燃烧，因为氧气的发热值仅为２５８０Ｋｃａｌ／ｍ，，故不能作 为燃料，应作为原料。 本工艺耗用大量的炼焦煤。预测我国炼焦煤资源，只能使用２５—３０年．不保 护，代替炼焦煤资源，钢铁工业可持续发展不能得到保｜正。利用焦炉煤气生产直 接还原铁．可节省２０～３０％炼焦煤。 ３．２ ４两种流程碳排放量的比较 用焦炉煤气生产直接还原铁短流程与高炉转炉长流程碳排放量比较，见下表：